项目定义
在国家大力推广物联网产业的背景下,本项目通过自主研发将RFID自动识别技术应用在各行业企业的生产制造管理中,实现对物料数据从领料到生产到包装的实时识别、采集、存储、反馈和报警;同时,通过与企业内部ERP、MES等管理系统的无缝结合,实现产品的优质、高效、低耗、环保、全局优化生产,达到产品制造信息化、生产过程控制智能化、生产装备数字化的目标,有效解决ERP等企业管理系统在产品和物资数据处理等方面的缺陷。
本项目利用信息技术改造传统产业,提高传统生产制造企业的信息化、智能化和自动化水平,可应用在模具、机械设备和零部件制造、食品医药以及其他生产型制造行业等市场领域,市场空间巨大。
项目归属
《光机电一体化》——《先进制造技术》——《先进制造系统》
关键技术
本项目研发和应用过程中涉及的关键技术包括:生产线上的RFID应用技术、MES技术、数字化生产线技术、物联网中间件技术和企业内部物联网系统架构技术,具体内容如下:
1、生产线上的RFID应用技术
本项目通过自主研发,利用Auto-ID中心并利用时分多址(TDMA) 机制避免了RFID在生产线应用中的阅读器冲突问题。
RFID标签产生大量的EPC数据,通过定义阅读器每秒读取电子标签的效率和质量,各RFID系统或局部物联网在车间内联成一个局域网时, 解决了数据流的畅通性问题。
解决与现有系统的融合问题,实现与现有RFID硬件及配套设备、ERP、PDM和MES软件系统的信息交互和管理,完成与各种复杂系统的信息交换。
通过加密算法和身份验证机制,使得企业能方便地读取RFID标签数据,同时防止生产过程数据被竞争对手读取。
在数据采集、识别、存储之外,实现系统对生产线缺料、错料和生产工艺错误的报警,并自动进行补偿和控制。
2、MES(制造执行系统)技术
目前国际上把工厂自动化(FA)分为三层:最上层是企业级生产管理层(即:ERP层);工业生产过程控制位于FA最底层,主要功能是完成自动化生产控制任务和设备的监控与管理;中间层为制造执行系统(MES),它是车间级的生产管理系统,也是将ERP层和底层工业生产过程控制连接起来的信息系统。
制造执行系统MES是流程工业综合自动化的核心技术,其主要功能是负责生产管理和调度执行。在集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的基础上,MES为控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源,提供了一个统一平台,对提高企业生产效率、提高产品质量、降低消耗具有重要的作用。MES可概括为三点:MES优化的目标是整个生产过程;可收集生产过程中大量的实时数据,并且能对实时事件进行及时处理;与计划层和控制层保持双向通信能力,接收生产指令和反馈处理结果。
本项目集成MES系统和RFID技术,MES系统充分利用RFID的技术优势,解决企业计划层与车间现场控制层间信息和管理的断层问题,实现制造和质量的可视化和数字化管理。
3、数字化生产线技术
数字化生产线可以通过在在制品上粘贴条码或标签,在每一个工位通过采集装置记录重要零组件的信息和每个工序作业工人的ID号、完工时间、检验信息等,实现对生产过程从原材料到最终产品的全面跟踪。数字化生产线实际上是融合了来自ERP系统的生产订单和PDM、CAPP系统的数据优势,通过车间生产的过程进行统一的协调,从而贯通了企业从设计到生产和产品下线的全过程,并带动企业库存、销售、财务预结算等全方位的信息化过程。
在数字化生产线上应用RFID技术,不但可实现生产现场的管理和监控,并可与MES、ERP集成。只要零件进入生产线或到达完工区,将自动记录工序、设备和工人的ID号、加工时间,避免了人工录入数据的滞后性、条码扫描操作带来的不精确数据,彻底解决了ERP系统、MES实时信息获取瓶颈问题。
4、物联网中间件系统技术
物联网中间件是处在阅读器和计算机网络之间的中间件系统,其在产品电子码EPC规范中被称为Savant。该中间件可为企业应用提供一系列计算和数据处理功能, 其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行捕获、过滤、汇集、计算, 数据校对、解调、数据传送、数据存储和任务管理, 减少从阅读器传往工厂应用的数据量。同时, Savant还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作的功能,而且还定义了阅读器和应用两个接口。
本项目系统的内部物联网是由RFID电子标签、识别设备、Savant服务器、Intranet、ONS服务器、EPC信息服务系统以及众多数据库组成的实物互联网,识别设备读出EPC码指针,根据这个指针从Intranet中找到相应的MAC地址,并获取该地址中存放的相关物品信息,交给Savant软件系统处理和管理。由于在每个物品的标签上只有一个EPC码,计算机需要知道与之匹配的其它信息,这就需要用ONS来提供一种自动化的网络数据库服务,Savant将EPC码传给ONS,ONS指示Savant到一个保存着产品文件的信息服务器中查找,Savant可以对其进行处理,还可以与信息服务器和系统数据库交互。
5、企业内部物联网系统架构技术
本项目应用系统由三大部分组成, 即RFID硬件系统(包含标签和阅读器)、Savant中间件系统和计算机网络系统。其中标签贴于每件产品上, 所使用的阅读器为手持式, 可灵活应用于生产实际;Savant中间件系统含有EPC Information Service, PML以及ONS及其缓存系统, 其后端应用数据库软件系统还包含ERP系统等, 这些都与计算机网络相连, 可及时有效地跟踪、查询、修改或增减数据。
技术及性能指标
本项目RFIDS系统的技术指标和性能指标如下:
1、技术指标:
⑴阅读器识别速率:能够识别移动速度介于200公里/小时的电子标签;
⑵数据防冲突处理:同时识别220张标签每秒;
⑶阅读距离:120米半径范围
⑷数据采集准确率≥98.2%;
⑸标签事件漏报率≤1.2%;
⑹识别速率(识读设备读取、到产生逻辑事件)≤500毫秒;
⑺数据传输最大延迟时间≤250毫秒;
⑻系统启动生效时间≤200毫秒;
⑼阅读器发出命令到上层应用收到可用数据的时间间隔:20ms-82ms。
2、性能指标:
⑴缩短制造周期时间:5%-10%;
⑵减少错料和漏料造成的质量问题:70%以上;
⑶减少在制品(WIP):10%-15%;
⑷减少企业间接管理成本:50%以上。
技术及项目创新点
1.技术创新:
(1)生产物联系统软件架构创新
本项目软件系统规划为3层:采集层、集成层和应用层。采集层的功能是进行基于RFID的信息采集。阅读器会探测标签是否进入有效阅读区,探测到有效信号后阅读器将会读取该EPC码,然后读写器对采集到的RFID标签中的信息,进行简单的信息预处理(解码、防冲撞、多通道信息去重、信息过滤、分类)后将信息传送到集成层。
集成层是RFID应用支撑平台,支持RFID信息的输入、获得、传输、处理及协同。包括资源目录服务(ONS) 、RFID中间件(Savant) 、集成平台、信息系统及信息传输。
应用层是RFID后端软件系统及应用系统界面,形成可定制的生产应用系统。后台监控程序可以通过查询标签数据获取贴有标签的物品的状态,以达到实时监控生产线的目的。其他的应用程序(如ERP)也可以根据需要实时获取所需要的物品信息,作为决策依据。
(2)生产线物联系统功能架构创新
基于RFID的生产线物联系统功能构架主要包含数据采集、生产计划、生产管理、生产监控和生产品质五个模块,这五个模块和ERP、自动控制层进行数据交换,实现产品品质数据追溯。数据采集模块主要基于RFID技术,接受MES的指令,从而对标签进行读写操作,自动通过RS232接口实现数据采集。五个工作模块的功能描述如下:
①数据采集模块:主要通过RFID射频识别技术并附以条形码技术,来获取并更新与生产管理功能相关的各种数据和参数,包括产品跟踪、维护产品历史记录以及其它参数。
②生产计划模块:主要通过MES和ERP接口导入BOM(Bill of Material)和加工任务号等生产信息进行生产计划管理查询,并对作业时间、不良代码、无/再作业等进行管理。其中BOM管理、作业时间管理、生产情报管理及基准信息管理为这个模块的四个主要子模块。
③生产管理模块:通过RFID技术对产品在组装工位、质检工位、修理工位和标签工位获取相关数据及通过数据库、网络及条形码技术对数据进行处理。该模块主要包括组装数据管理、质检数据管理、标签映射管理、修理数据管理、生产情报管理五个子模块。
④生产监控模块:访问数据库,刷新并统计实时的生产信息数据,从而提供了生产监控画面给管理者实时监管。其中主要有品质现况、生产现况、流水线现况及修理现况四个监控画面。
⑤生产品质模块:该模块对每个工作订单设定需要检测的项目,在检测前确定每个任务号检测计划,检查部门对每个检测计划分批分别检查,管理者也可以通过系统对品质检查实绩进行确认。
(3)生产物联系统通信架构创新
为了保证生产线运转正常,基于RFID的生产物联系统所依附的通信结构需要具有更好的有效性、快速性、安全性及容错性。
在快速性和有效性方面,本项目利用RFID及条形码技术来自动与半自动获取生产数据,既节省了人力又保证了数据的正确性;计算机到MES数据库间又采用了千兆快速以太网络,保证了有效而快速的数据交换。
在安全性方面,每个PC都安装了防病毒软件并定期更新,激活了交换机上的访问列表及网卡IP端口绑定技术,防止其它可能的非法侵入;网络直接与服务器连接,不会受到公司网络中病毒的攻击。
在可靠性方面,每个节点都有冗余的链路,两个主交换机间还使用了热备份路由器协议HSRP,互相做了备份防止交换机的故障。
2.应用创新:
(1)物联网传感器技术在制造业生产线中的应用创新
车间生产线作为制造企业的物化中心,不仅是制造计划的具体执行者,也是制造信息的反馈者,更是大量制造实时信息的集散地,因此车间生产线的资源管理、物流控制和信息集成是企业生产系统中的重要一环,车间生产线的管理与控制系统的敏捷性,在一定程度上决定着整个企业的敏捷性。
目前许多生产制造企业,生产实绩及品质关联数据采集还是完全依赖于手工记录,准确性和实时性不高,限制了企业产品品质和生产效率的进一步提高,已经成了企业提升竞争力和进一发展的主要制约因素。本项目为满足制造企业订单多样性、及时性和产品生产数据可追溯性的要求,设计和开发基于RFID的生产物联系统,帮助企业及时、准确地获取实时生产数据,并对数据进行及时的分析处理,减少生产浪费,缩短产品周期,提高产品质量和效率,其创新点具体体现在以下几个方面:
①实现了生产线的自动控制管理,突破了传统生产线数据采集和监控系统的概念和范围,引入物联网的概念和机制,实现了生产线物流信息交互和智能化识别、处理和管理,建立了企业生产过程整个物流的自动控制系统。
②综合应用各种识别和传感技术,解决了RFID、条形码、二维码等技术的共存和融合问题。
③解决了企业各种信息系统的集成问题,使企业ERP、MES、PLC等相关信息系统及设备得到有效集成和交互,为企业生产管理提供了基于现代物联网概念和技术的系统解决方案和管理手段。
(2)用RFID替代Barcode的应用创新
条码技术本身具有一定的局限性,表现在:
(1)只能识别一类产品,而无法识别单品;
(2)必须将条码对准扫描仪才有效;
(3)印有条码的横条被撕裂、污损或脱落,商品就无法被扫描,易出现漏扫;
(4)人工操作,劳动强度大,耗费人力,差错率高;
(5)条码受污染/潮湿环境影响大,受光遮盖影响完全失效;
(6)条码被磨损则无效,且条码容易受折损坏;
(7)条码容易被复制和修改,安全性低;
(8)阅读条码速度慢,且一次只能扫描一个条码,效率低;
(9)条码不可重复使用,耗费耗材,且打印机打印条码,成本高;
本项目利用RFID技术,其相对于Barcode的优势体现在:
(1)实现产品全程质量跟踪:在在制品贴上RFID标签后,由于标签所代表物品的唯一性可以监控该产品在各个工序中的状态,掌握成品的各工序记录及部件的安装记录,记录售后维修的详细数据,实现产品全程质量跟踪。
(2)实现物料的全程跟踪:从物料入库开始的生产过程的每个环节的数掘都可以得到准确、及时的采集和记录并及时反馈处理,实时掌握物料从入库到上线、在制品、成品、出库的状态和位置,实现物料的全程跟踪。
(3)计划于生产相匹配:整个过程都由自动识别技术提供准确、实时的数据,以保证计划与执行相符,可以实现对计划的执行步骤进行严格的控制。
(4)全面提高数据精度,提高生产线的配件有效管理,提高作业效率:RFID与ERP集成后可以改进ERP数据采集的实时性,改进ERP系统对库存、计划、进度控制的可信度,改善整个软件系统的反应灵敏度,动态的更新或改写在包装或标签上的信息,不需要人工介入或不必在可视环境下完成对产品信息的扫描,能够提供业务过程进一步简化和自动化。
(5)扫描速度快,RFID辨识器一次能读取多个RFID标签,效率高;
(6)抗污染能力强,RFID对水、油和化学物品等有很强抵抗性;
(7)耐久性强,RFID卷标将数据存在芯片中,可免受污损和破坏;
(8)安全性高,RFID承载的电子数据内容可密码保护,不易被伪造及变造;
(9)数据记忆容量大,RFID最大容量可达数MegaBytes;
(10)可重复使用,利用率高,数据及时更新,FRID标签可重复新增、修改、删除RFID卷标内存储的数据,数据能及时更新;
(11)穿透性读取和通信,可无屏蔽阅读,被覆盖请看下,RFID能穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明材质进行读取和穿透性通信;
(12)远距离识别,体积小型化,形状多样化;通过在工厂车间逐步采用RFID技术,制造商可以无缝且不间断地获取从RFID捕获的信息并链接到现有的、已验证和工业加强的控制系统基础结构,与配置RFID功能的供应链协调,不需要更新已有的MES(制造执行系统)和MIS(制造信息系统),就可以发送准确、可靠的实时信息流,从而创造附加值,提高生产率和大幅度地节省投资。
本项目基于RFID的生产物联系统以提高我国制造企业信息化和自动化水平为立足点,未来可应用在模具行业、机械设备和零部件制造行业、食品医药行业以及其他生产型制造行业等市场领域,迎合我国各行业制造企业对提高企业信息化和自动化水平的巨大需求,未来市场空间巨大,具体内容如下:
市场应用情况
1、模具行业
模具是工业生产的基础工艺装备,被称为“工业之母”。75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成型,绝大部分塑料制品也由模具成型。作为国民经济的基础行业,模具涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业,应用范围十分广泛,各类模具包括冲压模具、压塑模具、挤塑模具、注射模具、挤出成形模具、发泡成形模具、吹塑成形模具、压铸模、锻模、冷镦模、挤压模具、拉丝模具、玻璃用模具、矿物材料用模具、陶瓷模具等
自2000年以来,中国模具工业以年均15%的速度快速成长,总产值已跃居世界第三。据中国模具协会企业年报显示:近年来,中国模具市场对精密、大型、复杂型、长寿命模具的需求量有所增长,预计到2012年,国内模具市场需求量将达到1200亿元人民币左右。目前,我国约有模具生产厂商3万余家,从业人员有80多万,全年模具产值达534亿元人民币。
我国的模具行业已步入了高速发展时期,但存在的问题仍然不少。国内模具生产厂商工艺条件参差不齐,差距很大,同时欧洲模具设计和生产的时间分别要比我国快44%和61%左右。为提高我国模具行业的竞争力,必须加快其信息化、自动化体系建设,引进符合中国企业的生产管理系统。
2、机械设备和零部件制造行业
机械制造业是国民经济和社会发展的物质基础,是一个国家综合国力的重要体现。2010年《世界机械500强》中,美国以126家企业入选居榜首,日本以124家居第二,我国入选企业77家居第三;但500强前10名中,中国企业无一入选,前100名中,中国仅入选9名。应该认识到,我国制造业大而不强,虽然是制造大国,但不能称为制造强国。
与发达国家相比,我国机械制造业不仅制造工艺装备陈旧、生产自动化技术落后、企业管理粗放、缺乏自主创新产品与先进技术等,而且在快速、高品质、低成本,以及优质服务方面也有较大的差距。中国制造业的劳动生产率,仅是美国、日本的1/3~1/5。
目前我国的机械工业已经形成了拥有4万多家规模以上企业、900多万从业人员的工业体系。未来要进一步提高我国机械设备和零部件制造企业的综合实力,必须加快其信息化、自动化体系建设。
3、食品医药行业
食品、医药工业在我国经济中占着举足轻重的地位,不仅因为其产值和市场空间巨大,更重要的是其关系到人民的身体健康,尤其是在近年来我国食品安全问题频发,医疗资源匮乏以及分布不均的问题日益严重的情况下,食品医药行业的发展更显重要。
根据《中国的食品质量安全状况》白皮书披露的数据,全国有规模以上食品生产加工企2.6万家,市场占有率72%;规模以下、10人以上企业6.9万家,产品市场占有率18.7%。2011年上半年,我国食品工业总产值1.28万亿元,同比增长29.9%,其中啤酒、食用油、饮料、味精等产量位居世界前列。
另据中投顾问产业研究中心资料显示,2010年我国共有制药企业7053家,其中大型企业78家,中小型企业5933家,占比84.12%。2010年我国医药工业总产值12560亿元,同比增长约25%。因为新医改的效果将在未来几年内显现,因此国内医药工业总产值将保持良好的增速,预计到2011年,我国医药工业总产值将达到15700亿元,同比增长25%。
由于食品、医药的特殊性,其对产品质量和标准化要求较高,而且其收原材料价格影响较大,因此对制造企业的成本控制、信息化和自动化水平提出了较高要求,本项目产品应用在食品、医药行业,市场空间巨大。
4、其他生产型制造行业
未来,本项目产品除应用在以上三大市场领域中,还将对其他生产型制造行业如电子元器件行业、烟草行业、化工行业等进行扩展,研发出适用于各行业生产制造企业的基于RFID的生产物联系统。
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本文标题:基于RFID的数字化生产线物联系统